Эксплуатация аккумуляторных батарей

Современное состояние и перспективы совершенствования аккумуляторных установок узлов связи

Аккумуляторы находят широкое применение в электропитающих установках узлов связи для резервирования основных источников питания. На предприятиях связи, как правило, используются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, поскольку они до сих пор являются самыми надежными, долговечными, не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока.

Все электропитающие установки предприятий связи должны иметь две кислотные аккумуляторные батареи (двухгрупповую аккумуляторную батарею) на один номинал выходного напряжения [11]. Отдельные аккумуляторные батареи рекомендуется применять только на сельских узлах связи, нагрузка которых по каждому номиналу напряжения не превышает 24 А.

Для всех предприятий связи, относящихся к 1-й категории потребителей по надежности электроснабжения, емкость каждой группы аккумуляторных батарей рассчитывается из условия обеспечения в течение 0,5 ч электропитания током наибольшей нагрузки всех технологических электроприемников, а также сетей эвакуационного и аварийного освещения. Исключение составляют только электропитающие установки не узловых АТС емкостью 3000—20 000 номеров в районных сетях, обеспеченные внешним электроснабжением от двух независимых источников энергии и не имеющие собственной электростанции, для которых емкость каждой группы аккумуляторных батарей рассчитывается на 1 ч работы. Емкость каждой группы аккумуляторных батарей для сельских электромеханических АТС рассчитывается на 5 ч, а электронных АТС — на 12 ч.

В настоящее время производятся и активно эксплуатируются аккумуляторные батареи трех поколений.

1. Батареи первого поколения — батареи с жидким электролитом открытого и закрытого типа, емкостью от 3 до 5000 А ч и сроком службы от 10 до 20 лет.

Из теории кислотных аккумуляторов известно, что в них во всех режимах работы, в том числе и при разомкнутой цепи нагрузки (холостом ходе), происходит превращение активной массы электродов (свинца и двуокиси свинца) в сульфат свинца с расходом на эти реакции воды, входящей в состав электролита. Это вынуждает при эксплуатации открытых аккумуляторов периодически производить контроль уровня и плотности электролита, доливку дистиллированной воды, удаление солей, проведение уравнительных зарядов, что является довольно трудоемким процессом. По этой причине батареи открытого типа все реже применяют.

Закрытые (герметизированные аккумуляторы) — это аккумуляторы, закрытые в обычных условиях работы, но имеющие устройства, позволяющие выходить газу, когда внутреннее давление превышает установленное значение. Эти аккумуляторы остаются закрытыми и не пропускают газ или жидкость при соблюдении условий эксплуатации, указанных изготовителем и предназначены для работы в исходном герметичном состоянии на протяжении всего срока эксплуатации.

Аккумуляторные батареи закрытого типа могут быть необслуживаемыми. От производителя они поставляются залитыми электролитом и заряженными. В течение срока службы нет необходимости в доливке воды, так как конструкция пробок таких батарей обеспечивает удержание ее паров в виде конденсата.

  • 2. Батареи второго поколения — герметизированные гелевые батареи. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный электролит, получаемый путем смешения раствора серной кислоты с загустителем (обычно двуокись кремния Si02 — силикагель). Гелевые батареи в течение всего срока службы не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзаряда требуются устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 %. Аккумуляторы такого типа критичны к температуре окружающей среды.
  • 3. Батареи третьего поколения — герметизированные батареи с абсорбированными электролитом сепараторами. В качестве сепараторов, как правило, используется стекловолокно. По сравнению с гелевыми аккумуляторами в таких источниках наблюдается существенно более низкое газообразование, на них меньшее влияние оказывает температура окружающего воздуха. При этом требования к стабильности напряжения зарядного устройства аналогичны требованиям к гелевым аккумуляторам.

К сожалению, в России герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы не производятся.

Закрытые аккумуляторы предназначены для эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, в том числе с технологическим оборудованием и обслуживающим персоналом при температуре от -4 °С до +50 °С (рекомендуемая температура +20 °С). Поскольку процесс восстановления кислорода в воду (рекомбинация) происходит при избыточном давлении в аккумуляторе и с выделением тепла, аккумуляторы при монтаже устанавливаются с зазором для отвода тепла естественной вентиляцией.

Области применения и особенности эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов определяются их конструкцией.

Большинство аккумуляторов, выпускаемых европейскими странами, ориентировано на германский стандарт DIN № 4353.

По типу используемых положительных электродов различают следующие типы аккумуляторов:

  • • аккумуляторы с электродами большой поверхности (по классификации DIN — GrE);
  • • аккумуляторы с трубчатыми электродами (по классификации DIN - OPzS, OPzV);
  • • аккумуляторы с намазными и стержневыми электродами (по классификации DIN — Ogi).

Герметизированные аккумуляторы, как правило, имеют намаз- ные положительные и отрицательные электроды (за исключением аккумуляторов OPzV).

При выборе типа стационарного свинцово-кислотного аккумулятора для питания аппаратуры связи необходимо руководствоваться следующими критериями выбора: режим разряда и отдаваемая при этом емкость, особенности размещения, особенности эксплуатации, срок службы, стоимость.

По величине занимаемой площади при эксплуатации преимущество имеют герметизированные аккумуляторы. За ними в порядке возрастания занимаемой площади следуют аккумуляторы открытых типов с намазными электродами, трубчатыми электродами и электродами большой поверхности.

Минимальных трудовых затрат при эксплуатации требуют герметизированные аккумуляторы. Остальные типы аккумуляторов по сравнению с ними имеют большие эксплуатационные затраты, особенно аккумуляторы, у которых примесь сурьмы в положительных решетках превышают 3 %. Вместе с тем, герметизированные аккумуляторы существенно дороже, чем открытые аккумуляторы.

Открытые типы аккумуляторов в основном выпускаются в баке из прозрачного ударопрочного материала SAN (полистирол-акрилонитрил), а герметизированные — из непрозрачного высокопрочного материала АВС (акрилонитрил-бутадиен-стирол). Используемые пластмассовые компоненты для изготовления баков и крышек должны быть огнестойкими.

Таким образом, по большинству конструктивно-технологических характеристик закрытые аккумуляторы предпочтительнее открытых. Исключение составляет стоимость, которая может быть скомпенсирована за счет сокращения эксплуатационных расходов. При модернизации электропитающих установок АТС предприятий связи рекомендуется использовать преимущественно закрытые аккумуляторы.

Конструкция батарей различных фирм может иметь свои особенности в части изготовления сепараторов и решеток или включения специальных добавок в материал пластин, например, сурьмы, кальция, никеля и др.

Для того чтобы разобраться в многообразии свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, необходимо учитывать их классификацию по режимам эксплуатации и технологии изготовления.

По режимам эксплуатации свинцово-кислотные аккумуляторные батареи подразделяют на три типа:

  • 1. Батареи для работы в буферном режиме. В этом случае аккумуляторная батарея подключается к шинам вместе с основным источником питания. В обычном режиме напряжение на аккумуляторной батарее несколько ниже, чем на шинах ЭПУ, это необходимо для того, чтобы она не разряжалась. При отключении основного источника питания осуществляется автоматический переход питания на аккумуляторную батарею. После перехода питания на аккумуляторную батарею за счет вольтдобавочного устройства оно повышается до требуемого уровня. При восстановлении электроснабжения от основного источника питания аккумуляторная батарея переходит в режим заряда. Периоды разряда батареи непродолжительные. Большую часть времени она находится в режиме подзаряда. В буферном режиме работают аккумуляторные батареи АТС, сетевых коммутаторов, провайдеров Интернет, источников бесперебойного питания персональных компьютеров и серверов.
  • 2. Батареи с циклическим режимом работы. Циклический режим работы характеризуется разрядом батареи в течение некоторого достаточно продолжительного времени, после этого батарея заряжается. Такой режим встречается значительно реже. Он характерен, например, для переносных устройств, используемых для обслуживания средств связи.
  • 3. Батареи со смешанным режимом работы.

По конструкции свинцово-кислотные аккумуляторные батареи можно подразделить на:

  • • батареи с жидким электролитом (обслуживаемые и необслуживаемые);
  • • батареи с регулируемыми клапанами VRLA (с увлажненными сепараторами и с гелевым электролитом).

При этом следует помнить, что абсолютно герметичные батареи не существуют, так как во всех них используются клапаны для снижения внутрикорпусного давления. По этой причине довольно часто вместо термина «герметичные аккумуляторные батареи» используется термин «герметизированные батареи».

Остановимся кратко на преимуществах свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они обусловлены следующими факторами:

  • • такие аккумуляторы отличаются дешевизной и простотой изготовления, стоимость 1 Вт ч энергии этих источников является самой низкой;
  • • имеется хорошо отработанная, надежная и понятная технология обслуживания;
  • • в таких устройствах отсутствует «эффект памяти» — их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя;
  • • существенно упрощается эксплуатация при использовании аккумуляторных батарей типа VRLA, нет необходимости в доливке воды;
  • • за счет применения предохранительного клапана обеспечивается безопасность эксплуатации герметизированных батарей. Обычно его изготавливают из неопрена. В результате нарушения режима заряда, например, при чрезмерном увеличении зарядного тока, в батарее происходит активное газообразование. Когда давление газов достигнет величины 0,7—4,4 кгс/см2, клапан открывается для вентиляции, благодаря чему устраняется опасность взрыва. Другая роль клапана — не допустить попадания внутрь корпуса атмосферного кислорода во избежание его реакции с активными материалами пластин;
  • • свинцово-кислотные аккумуляторы обладают хорошей способностью сохранять заряд. Если никель-кадмиевая батарея в течение трех месяцев теряет 40 % своей емкости, то свинцово-кислотная батарея теряет такой объем энергии только за год;
  • • время заряда свинцово-кислотной аккумуляторной батареи составляет 8—16 ч;
  • • в зависимости от глубины разряда и рабочей температуры срок службы свинцово-кислотной батареи может составить от одного года до 25 лет;
  • • в течение всего срока службы (25 лет) допустимо возникновение отказа не более одного аккумулятора на 10 000 эксплуатируемых в год. Критерием отказа аккумуляторной батареи принимается снижение отдаваемой ею емкости ниже 80 %.

Существуют и определенные недостатки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей по сравнению с другими химическими источниками тока:

  • • повышенные эксплуатационные расходы по сравнению с ни- кель-кадмиевыми аккумуляторами;
  • • необходимость хранения батарей в заряженном состоянии, в противном случае возникает сульфатация пластин, происходит потеря емкости, и возникает возможность полного выхода батареи из строя;
  • • сильная зависимость надежности батареи от количества циклов полного разряда. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл заряда/разряда батареи впоследствии ведет к снижению ее емкости. Такие потери сравнительно невелики, если батарея работает в нормальных условиях. Но даже единственный случай ее перегрузки, связанный с глубоким разрядом, может привести к потере емкости батареи примерно на 80 %. Для предотвращения таких ситуаций рекомендуется использовать батареи повышенной емкости;
  • • значительная зависимость срока службы аккумуляторной батареи от температуры окружающей среды. Оптимальная рабочая температура для таких батарей — 20 °С, и ее увеличение на каждые 10 °С сокращает срок службы источника примерно на 50 %. Так, VRLA батарея при температуре 20 °С может работать 10 лет, при 33 °С — только пять лет, а при 42 °С — всего один год. Отрицательное влияние оказывают и низкие температуры. При таких температурах емкость аккумуляторной батареи существенно снижается;
  • • низкая энергетическая плотность кислотных аккумуляторов и большой вес ограничивают их применение в переносных устройствах и портативной аппаратуре;
  • • конструктивные элементы батареи — электролит и свинец — оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

Конкурентная борьба на рынке электротехнической продукции заставляет производителей аккумуляторных батарей вести постоянную работу над совершенствованием их конструкции, улучшением технических характеристик, обеспечением безопасности эксплуатации. По этой причине каждой фирмой в конструкцию выпускаемых аккумуляторов могут быть заложены свои специфические особенности, о которых следует знать как покупателю, так и эксплуатационному персоналу.

Рассмотрим кратко характерные особенности конструктивных решений ведущих фирм, производящих свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи компании Varta. (Германия). Фирма Varta выпускает широкий спектр аккумуляторных батарей открытого и герметизированного типа. Для улучшения качества аккумуляторов при изготовлении пластин применяется сплав свинца и сурьмы. Известно, что увеличение количества сурьмы в пластине свыше 3 % приводит к существенному увеличению тока заряда, а снижение ее меньше 3 % вызывает образование дополнительных кристаллических структур в материале решеток и, как следствие, образование трещин. Фирме Varta удалось разработать сплавы с малым содержанием сурьмы (1,6 %), имеющие очень тонкую структуру. В результате срок службы аккумуляторных батарей повысился в пять раз. Батареи фирмы Varta требуют достаточно низкого тока подзаряда, обладают стойкостью к циклическим нагрузкам и отличаются безупречным поведением при заряде.

В большинстве стационарных аккумуляторов с жидким электролитом, которые позволяют осуществлять долив воды в пробках, применяются специальные каталитические насадки, позволяющие преобразовать водяной пар, образующийся в аккумуляторе, в воду, которая стекает обратно в аккумулятор.

В герметизированных аккумуляторах Varta со связанным электролитом используются стекловолоконные маты с дополнительными сепараторами.

В аккумуляторах с желеобразным (гелевым) электролитом применяются обычные сепараторы. Эффект достигается за счет использования применения гелевого электролита, поскольку разница в его концентрации в верхней и нижней частях аккумулятора незначительна.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, изготовленные по технологии DRYFIT. Аккумуляторы по технологии DRYFIT выпускаются группой европейских производителей аккумуляторов СЕАС. В аккумуляторах используется желеобразный электролит. Они являются абсолютно необслуживаемыми в течение всего срока эксплуатации, имеют внутреннюю систему рекомбинации газов, продолжительный срок службы, допускают перезаряд, устойчивы к глубокому разряду. Они разработаны для телефонных станций и других объектов связи.

Аккумуляторы фирмы DRYFIT выпускаются двух серий: А 400 — для работы в буферном режиме и А 500 — для работы в режиме «буфер + цикл». Емкость аккумуляторов А 400 от 5,5 до 180 А-ч, а аккумуляторов А 500 от 2 до 115 А ч.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи фирмы НОРРЕСКЕ. Фирма НОРРЕСКЕ из Германии выпускает широкий модельный ряд аккумуляторных батарей для резервных источников питания телекоммуникационного оборудования, базовых станций сотовой связи, тран- ковой и пейджинговой связи с жидким, гелевым и связанным электролитами. Среди наиболее часто применяемых марок аккумуляторов следует отметить GroE, OPzS, OPzV и др. Основные характеристики выпускаемых источников: диапазон емкостей от 75 до 12 000 А-ч, саморазряд — 3 % в месяц, срок службы до 25 лет.

Аккумуляторы фирмы НОРРЕСКЕ отличаются применением в них специальных пробок, которые позволяют снизить образование водорода, его выделение из аккумуляторов и обеспечение их безопасной работы в невентилируемых и плохо вентилируемых помещениях. В этих пробках реализована технология регенерации: водород и кислород, образовавшейся в результате электролиза, снова превращаются в воду, но без взрыва, а в результате медленно текущей реакции. Выгоды от применения таких пробок очевидны, так как нет необходимости доливки воды на протяжении всего срока службы аккумуляторов, а также исключается выход их из строя при использовании некачественного электролита или дистиллированной воды.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи фирмы ВЛЕ. Аккумуляторные батареи фирмы ВАЕ (Германия) предназначены для работы в системах бесперебойного и аварийного электропитания различного назначения. По классификации европейского объединения производителей аккумуляторов EUROBAT фирма ВАЕ выпускает несколько марок аккумуляторов: OPzS, OPzV, OGi.

Открытые аккумуляторы типа OPzS относятся к группе источников питания особой надежности. В них используются трубчатые (панцирные) пластины, отличающиеся особой надежностью при эксплуатации и длительным сроком службы. Благодаря увеличенному до 8 мм слою свинца в активной массе положительного электрода и другим передовым техническим решениям обеспечиваются: высокие токи разряда, близкие к токам короткого замыкания; повышенное время разряда; увеличенный до 16 лет срок службы; высокая цикличность использования. По классификации EUROBAT аккумуляторы типа OPzS по своим техническим характеристикам близки к аккумуляторам серии GroE, но дешевле их.

В аккумуляторах типа OGi использована новая стержневая конструкция положительной пластины, в результате удалось снизить стоимость таких аккумуляторов в 1,5 раза.

Существуют и другие производители, выпускающие аккумуляторные батареи для предприятий связи. Ниже в табл. 3.1 приведены характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов фирмы HAWKER (Международный концерн Ener Sys), производимых для телекоммуникационного оборудования.

Таблица 3.1. Основные показатели стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов, выпускаемых фирмой HAWKER

Тип элемента

OPzS,

OPzSc

ОР,

ОРС

PLANTE

vB

Power Safe

РНЕВ

VS

SBS

OPzV

VE

V, VF

HR

Технология изготовления

Обслуживаемые с жидким электролитом

Необслуживаемые с рекомбинацией газов. Электролит абсорбирован в сепараторе

Электролит—

гель

Емкость,

Ач

200- 12 000

  • 73-
  • 732
  • 18-
  • 1266
  • 250-
  • 2100
  • 38-
  • 550
  • 20-
  • 1770
  • 40-
  • 1200

1-40

7-350

  • 200—
  • 3000

Напряжение, В

2

2

2

2

2,6, 12

2, 4, 6, 12

6, 12

6, 12

2,4, 6, 12

2

Время разряда

1

X У

s 2

о

СО

1

X * S о

04

1

х * S о

s —'

1

X * S о

  • s '
  • 04

1

X sr 5 о

04

1

X сг

04

1

X sr S о

04

1

X ^ s о

04

1

X F

S О

1

х * X о S

Обслуживание, лет

Добавление воды

Необслуживаемые

1-6

1-3

1-2

1-3

Срок службы, лет

15

12

25

20

12

14

10

3-5

13

15

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >